基于丝网印刷电极的低成本数字微流控芯片制造技术

本发明专利技术公开了基于丝网印刷电极的低成本数字微流控芯片，把丝网印刷技术与数字微流控芯片技术相结合，通过丝网印刷技术印刷碳油墨电极，从而解决了由铜等金属电极制作的数字微流控芯片在工作时所出现的电极脱落与介电击穿现象。此发明专利技术不必使用光刻、金属溅射、电化学腐蚀所需的昂贵仪器，不仅显著降低了芯片的制作成本，而且加工步骤少、可重复性高，为数字微流控芯片的批量化生产提供了新的技术路径。

Low cost digital microfluidic chip based on screen printed electrode

【技术实现步骤摘要】
基于丝网印刷电极的低成本数字微流控芯片
本专利技术为基于丝网印刷的低成本数字微流控芯片，属于数字微流控芯片技术与丝网印刷技术的交叉领域。具体地讲，利用丝网印刷技术印刷碳油墨电极，解决了由铜等金属电极制作的数字微流控芯片在工作时所出现的电极脱落与介电击穿现象，大大提高了数字微流控芯片的使用寿命和稳定性，显著降低了成本。
技术介绍
微流控技术起源于微机电系统(MEMS)，是一种对微量流体进行操作的技术。不同于具有微通道、阀门和泵的传统微流控装置，数字微流控(DMF)技术具有精确操纵微升甚至皮升体积液滴的优势。在数字微流控装置中，每一个液滴都可以用作生物或化学反应的隔离胶囊，相关研究已在细胞处理、DNA扩增和检测等领域中得到广泛的应用。DMF装置通常分为开放式和闭合式(夹在两个基板之间的液滴)两种配置，闭合式装置可以实现液滴分配、分离、合并和移动等操作，而开放式装置只可以实现液滴合并、移动和振荡等操作。数字微流控装置通常包括基体、电极、介电层和疏水层，可用于制作基板的材料有PCB板、ITO玻璃、硅/玻璃晶圆等，可用于制作电极的材料有金、铜、银和碳材料等。介电层用于电极和液滴之间的隔离，可用于制作介电层的材料有PTFE、聚对二甲苯C和SiO2等。疏水层用于增加液滴的接触角，从而便于液滴的运动，典型的疏水层材料是特氟龙。相比传统电极制造技术(如光刻、金属溅射、电化学腐蚀等)，利用丝网印刷电极具有操作简单、成本低、大规模生产等优点，并且印刷后的电极不会出现电极脱落与介电击穿现象。丝网印刷是利用丝网印版图文部分网孔透油墨，非图文部分网孔不透墨的基本原理进行印刷。利用丝网印刷电极，已经在集成电路领域得到了较为广泛的应用。从制造时间、成本和生产能力等方面来看，丝网印刷是一种有效的方法，同时，它对基体的选择性低，可以在各类聚合物或无机材料表面印刷不同类型的导电材料。将丝网印刷技术与数字微流控技术相结合，为数字微流控芯片的批量化生产提供了新的技术路径。采用丝网印刷技术加工微流控芯片的微电极结构，不仅成本低廉，而且加工步骤少、可重复性高。
技术实现思路
用于制作数字微流控电极的材料主要有铜、银等金属电极，这些金属电极在数字微流控芯片工作过程中会出现电极脱落与介电击穿等现象，影响芯片的使用。目前，用于加工电极的方法主要有光刻、金属溅射、电化学腐蚀等，这些技术需要昂贵的仪器，不利于降低数字微流控芯片的制作成本。为此，本专利提出一种基于丝网印刷电极的低成本数字微流控芯片。在此技术中，使用聚酯薄膜等粘性薄膜作为基体材料，使用碳电阻油墨等非金属导电油墨作为电极材料，并且，通过丝网印刷方法加工电极。这种技术不仅显著降低了成本，而且在芯片工作过程中不会出现电极脱落与介电击穿现象。如图2所示，基于丝网印刷电极的低成本数字微流控芯片由基体(7)、电极(9)、聚乙烯薄膜(10)和疏水层(11)四部分组成；电极(9)印刷在基体(7)的表面，聚乙烯薄膜(10)贴在电极(9)表面，疏水层(11)铺设在聚乙烯薄膜(10)的表面。疏水层(11)采用Rain-x。一种基于丝网印刷电极的数字微流控芯片制作方法，本方法包括以下步骤：步骤一：使用CAD绘图软件设计所需印刷的图案。步骤二：通过喷墨打印机(1)在菲林片上(2)打印步骤一中CAD设计的图案。步骤三：使用上浆器(3)将感光胶(4)均匀地涂刷在丝网框(5)网布的内外两面。步骤四：将菲林片放在紫外曝光机(6)的表面，然后将上完感光胶的丝网框放在菲林片的上面，通电曝光三分钟。步骤五：将曝光后的丝网框放在35度左右的温水中，用水溶解掉未固化的图案即所需印刷的图案，并用吹风机将丝网框吹干。步骤六：使用聚酯薄膜(7)作为丝网印刷碳电极的基体。步骤七：用胶带封住无图案部分，然后将丝网框放在聚酯薄膜上，用刮刀(8)将碳油墨(9)均匀地涂刷在聚酯薄膜表面。步骤八：将聚乙烯薄膜(10)贴在碳电阻油墨表面来充当电介质(隔离)层。步骤九：使用疏水层(11)进行表面处理以增强疏水性。步骤五中将曝光后的丝网框放在35度左右的温水中，这样可以很容易地溶解掉未固化的图案(尤其是在零下5度的室温环境中)。步骤六中所使用的基体材料是具有一定粘性的聚合物薄膜、金属薄膜、玻璃片等。步骤七中电极的加工过程采用丝网印刷方法。步骤八中所使用的电极材料为碳电阻油墨等非金属导电油墨。本例只简单介绍了采用碳油墨作为电极材料的一种应用，除此之外，其它非金属导电材料不逐一赘述。与传统加工电极的材料相比，本专利技术具有如下优势：1)解决由金属电极制作的数字微流控芯片工作过程中所出现的电极脱落与介电击穿现象；2)采用丝网印刷方法加工数字微流控芯片中的电极，不必使用光刻、金属溅射、电化学腐蚀等方法中所用的昂贵仪器，从而显著降低了芯片的制作成本；3)采用丝网印刷电极的加工方法对基体材料与导电材料选择性低，可以将液体导电油墨印刷在具有一定粘性的聚合物薄膜、金属薄膜和玻璃片等基体表面。附图说明图1为采用丝网印刷方法加工电极的示意图。图2为采用本专利技术方法加工的数字微流控芯片示意图。图中，1-喷墨打印机，2-菲林片，3-上浆器，4-感光胶，5-丝网框，6-紫外曝光机，7-聚酯薄膜，8-刮刀，9-碳电阻油墨，10-聚乙烯薄膜，11-疏水层，12-液滴。具体实施方式以下说明本专利技术的实施例。但下列实施例仅限于解释本专利技术，本专利技术的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例对该领域的技术人员即可以实现本专利技术权利要求的全部内容。基于丝网印刷技术的数字微流控芯片的制作过程分为两个部分：丝网印刷电极的制作与数字微流控芯片的制作。丝网印刷电极的制作过程包括以下步骤：步骤一：使用绘图软件设计所需印刷的电子图案。步骤二：将设计的电子图案打印在菲林片(2)。步骤三：在丝网框(5)网布内外表面均匀涂刷感光胶，并用吹风机吹干感光胶。步骤四：将打印的菲林片(2)放在紫外曝光机(6)表面，然后把带有感光胶的丝网框(5)放在菲林片(2)上，进行曝光。数字微流控芯片装置的制作包括以下步骤：步骤一：选择粘性薄膜(7)作为数字微流控芯片的基体。步骤二：将导电油墨(9)印刷在基体表面。步骤三：将聚乙烯薄膜(10)贴在导电油墨的表面。步骤四：使用疏水层(11)对介电质膜进行表面处理，以增强聚乙烯薄膜(10)的疏水性。在制作数字微流控芯片装置部分的步骤二中，此示例采用碳油墨材料，只做示例，其它多种非金属原料也可以达到本例效果。实施例1步骤一：使用CAD绘图软件设计所需印刷的电子图案。步骤二：在菲林片(2)上打印所需印刷的图案。步骤三：在丝网框(5)网布内外表面均匀涂刷感光胶。步骤四：使用紫外曝光机(6)对感光胶进行曝光。步骤五：使用聚酯薄膜(7)作为数字微流控芯片的基体。步骤六：将碳电阻油墨(9)通过丝网框均匀地印刷在聚酯薄膜的表面上。步骤七：将聚乙烯薄膜(10)贴在碳电阻油墨来充当电介质(隔离)层。步骤八：使用疏水层(11)进行表面处理以增强疏水性。步骤九：用数字微流控装置驱动液滴(12)运动。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于丝网印刷电极的低成本数字微流控芯片，其特征在于：由基体(7)、电极(9)、聚乙烯薄膜(10)和疏水层(11)四部分组成；电极(9)印刷在基体(7)的表面，聚乙烯薄膜(10)贴在电极(9)表面，疏水层(11)铺设在聚乙烯薄膜(10)的表面。

【技术特征摘要】
1.基于丝网印刷电极的低成本数字微流控芯片，其特征在于：由基体(7)、电极(9)、聚乙烯薄膜(10)和疏水层(11)四部分组成；电极(9)印刷在基体(7)的表面，聚乙烯薄膜(10)贴在电极(9)表面，疏水层(11)铺设在聚乙烯薄膜(10)的表面。2.根据权利要求1所述的基于丝网印刷电极的低成本数字微流控芯片，其特征在于：疏水层(11)采用Rain-x。3.基于丝网印刷电极的数字微流控芯片制作方法，其特征在于，本方法包括以下步骤：步骤一：使用CAD绘图软件设计所需印刷的图案；步骤二：通过喷墨打印机(1)在菲林片上(2)打印步骤一中CAD设计的图案；步骤三：使用上浆器(3)将感光胶(4)均匀地涂刷在丝网框(5)网布的内外两面；步骤四：将菲林片放在紫外曝光机(6)的表面，然后将上完感光胶的丝网框放在菲林片的上面，通电曝光三分钟；步骤五：将曝光后的丝网框放在35度左右的温水中，用水溶解掉未固化的图案即所需印刷的图案，并用吹风机...

【专利技术属性】
技术研发人员：范一强，柴东平，张亚军，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11